ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2012, том 48, № 1, с. 117-136
УДК 551.465.45
О НЕКОТОРЫХ РЕЗУЛЬТАТАХ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В СЕВЕРНОМ ЛЕДОВИТОМ ОКЕАНЕ © 2012 г. В. И. Кузин, Г. А. Платов, Е. Н. Голубева, В. В. Малахова
Институт вычислительной математики и математической геофизики СОРАН, 630090 Новосибирск, пр. ак. Лаврентьева, 6 Е-таП: kuzin@sscc.ru Поступила в редакцию 19.05.2011 г.
На основе численного моделирования на базе модели циркуляции океана, включающей формирование и дрейф льда для региона Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики изучены вариации гидрофизических характеристик в указанных бассейнах, Получены основные режимы циркуляции и дрейфа льда в зависимости от атмосферных циклов. Рассмотрены возможности параметризации формирования промежуточных и глубинных вод в численных моделях динамики океана высоких широт. На основе численных экспериментов проведены оценки влияния межгодовой изменчивости стока сибирских рек на характер распределения и распространения пресной воды в данном регионе. Представлены результаты расчетов по распространению растворенного метана от сибирских рек.
Ключевые слова: Северный Ледовитый океан, Северная Атлантика, численное моделирование, циркуляция океана, режимы циркуляции, речной сток, растворенный метан.
ВВЕДЕНИЕ
Арктика и, в частности, Северный Ледовитый океан являются важной частью климатической системы, привлекающей в настоящее время все большее внимание климатологов. Прежде всего, это та важная роль, которую Северный Ледовитый океан (СЛО) играет в глобальном гидрологическом цикле, поставляя 11% всего притока пресной воды в Мировой океан [1]. Кроме того, в настоящее время Арктика воспринимается как новый стратегический регион, что определяется ее ресурсным потенциалом и транспортным значением, в частности, привлекательностью северных морских путей. Для России, в силу ее географического положения, Арктика имеет особое значение, поскольку представляет собой потенциальный источник для активного развития всей экономики. Тенденция к сокращению ледяного покрова в Северном Ледовитом океане (СЛО), наиболее выраженный признак происходящих климатических изменений в Арктике, позволяет планировать разработку ресурсов континентального шельфа и может сделать реальным использование Северного морского пути для трансконтинентальных перевозок.
Шельф СЛО играет роль источника притока вод сибирских рек в центральные районы бассейна, регулируя перераспределение пресных вод и их поступление в Северную Атлантику. Кроме того, водосборы этих рек находятся на территориях, хранящих многолетние запасы мерзлотных пород
и доступны для прямой разгрузки метана. При этом увеличилась и пресноводная разгрузка в течение прошлого столетия для некоторых сибирских рек [2, 3]. Разрушение мерзлоты и изменение гидрологических условий, в частности рост речного стока, увеличивает роль арктического бассейна в глобальном цикле метана.
Арктический регион является важным нефтегазоносным бассейном, содержащим запасы природных углеводородов [4]. Изучение отклика углеродного цикла в Арктике на климатические изменения, происходящие в последние годы в северных широтах — одна из основных проблем [5]. В ряде работ показано, что роль СЛО в глобальном цикле метана существенно занижена [6—9]. В этой связи становится актуальным выявление вклада пресноводных и морских арктических экосистем как источников метана на арктическом шельфе.
Особые климатические условия Арктического региона — определяющий фактор зависимости хозяйственной деятельности и жизни населения региона от состояния окружающей природной среды, с одной стороны, и большой уязвимости природных комплексов от антропогенного воздействия, с другой. Реализация планируемых проектов разработки месторождений на арктическом шельфе связана с возникновением дополнительных экологических угроз, опасных для окружающей среды. В связи с этим необходима тщательная экологическая экспертиза проектов с учетом климатических процессов, протекающих
в регионе. Поэтому крайне важным является исследование современного состояния климата Арктического региона, выяснения возможных связей в климатической системе атмосфера— лед—океан—суша. Стоящие задачи стимулировали разработку многочисленных исследовательских проектов, направленных на всестороннее исследование процессов, происходящих в Арктике и их последствий для климата Земли. Важную роль в этих исследованиях играет океанический блок. Особое место в формировании численного моделирования циркуляции океана занимают работы А.С. Саркисяна и др. [10, 11]. В ряду проектов, направление которых связано со сбором гидрологической информации в отдельно выделенных районах, присутствуют также проекты, связанные с численным моделированием динамики ледового покрова и циркуляции водных масс.
Основными компонентами численной модели океан—лед ИВМиМГ СО РАН являются крупномасштабная модель океанической циркуляции ИВМиМГ СО РАН [12-15] и модель морского льда CICE3.14 (The Los Alamos Sea Ice Model, http:// oceans11.lanl/gov/trac/CICE, [16-18]). Модель основана на методе расщепления на различных уровнях: от физического расщепления до расщепления по координатам. В этом отношении она родственна по технологии с работами ИВМ РАН [19], которые также основаны на идеях метода расщепления [20]. В течение многих лет модель ИВМиМГ СО РАН является участником международного проекта AOMIP (Arctic Ocean Intercomparison Project, http:// www.whoi.edu/page.do?pid=29836). Основными целями проекта являются: сравнение моделей взаимодействия океан-лед, выяснение причин качественных и количественных различий в результатах численных экспериментов и разработка современных Арктических моделей, способных воспроизвести прошлые события, описать настоящее и предсказать будущее состояние Северного Ледовитого океана [21].
В настоящей работе обсуждаются некоторые вопросы моделирования климатических процессов, протекающих в СЛО. Представлен опыт, полученный в этом направлении в ИВМиМГ СО РАН на основе численных экспериментов с использованием банка данных NCEP/NCAR [22] и его модифицированной версии CIAF [23] о состоянии нижней атмосферы, радиационных потоках и осадках за период с 1948 г. по настоящее время.
1. ЛЕД И ПОВЕРХНОСТНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ
Основной особенностью СЛО является наличие ледового покрова, находящегося в непрерывном движении. Площадь льда, его концентрация, поле дрейфа - ключевые параметры, которые отражают состояние климатической системы.
Наиболее обсуждаемой проблемой современного состояния СЛО является стремительное сокращение площади и толщины морского льда [24, 25]. С появлением спутниковых наблюдательных систем появилась возможность оценивать положение кромки льда и его сплоченность. Обработка данных измерений показала, что за период с 1979 по 1998 гг. общая протяженность льда сокращалась на 3% в десятилетие [26]. По данным Национального центра данных снега и льда в США (The National Snow and Ice Data Center) линейный тренд сокращения площади морского льда относительно среднего значения для 1979—2000 гг. за период с 1979 по 2005 гг. составлял более 8%, а с 1979 по 2010 гг. — 11.5% в десятилетие. К концу летнего сезона в Арктике оставалось только 15% льда, образовавшегося более двух лет назад. Для сравнения, в 80-х годах в этот же период в Арктике присутствовало около 50—60% многолетнего льда. Наиболее существенное сокращение площади льда в летний период произошло в 2007 г. Абсолютный минимум составил 4.28 млн. км2. В качестве причин называют [27] предыдущее накопление тепла в слое поверхностных вод и совокупность атмосферных условий, сложившихся в 2007 г., способствующих более быстрому таянию в центральной Арктике и отгону льдов из области Сибирского шельфа (пресс-релиз National Snow and Ice Data Center, http://nsidc.org/news/press).
Озабоченность мирового научного сообщества процессами, происходящими в Арктике, способствовали интенсификации исследований, направленных на всестороннее исследование взаимосвязей в климатической системе атмосфера-морской лед-океан, в частности, разработке, проверке адекватности и усовершенствования численных моделей. Оценка работы моделей морского льда проводится на основе сравнения полей дрейфа льда, сплоченности и прохождения границы с данными наблюдений [28, 29].
Первая карта динамических высот, построенная А.Ф. Трешниковым на основе обработки данных экспедиций, определяла широкую полосу Трансполярного дрейфа, направленного от Берингова пролива к проливу Фрама, Восточный антициклонический круговорот в Амеразийском бассейне и циклоническую картину циркуляции в Евразийском бассейне. На основе сравнения распределения атмосферного давления и данных наблюдения за течениями З.М. Гудкович [30] характеризует два типа поверхностной циркуляции вод и дрейфа льда. Первый тип циркуляции соответствует периоду сильного полярного антициклона. Этот период характеризуется обширным Восточным антициклоническим круговоротом и смещением Трансполярного течения к берегам Евразии, переносу льдов в Гренландское море из сибирских морей. Второй тип циркуляции возникает в период диссипации полярного антицикло-
Рис. 1. Среднегодовое поле дрейфа льда для периода, характеризующегося отрицательным индексом (а), положительным индексом Арктического колебания (б).
на, смещения его в сторону Канады и значительному развитию сибирского атмосферного максимума с выходом на восточные сибирские моря. В этом случае ось Трансарктического течения смещается к Северной Америке. В настоящее время описанная выше изменчивость атмосферной динамики связывается с отрицательной и положительной фазами Арктического Колебания [31].
Анализ данных спутниковых измерений, ставший доступным с конца 70-х годов, показывает, что динамика ледового покрова — наиболее чувствительная характеристика к изменению атмосферного воздействия, в частности, к полю ветра. Для среднемесячных полей дрейфа льда, предоставленных для свободного доступа на интернет-странице Национального центра снега и льда (Polar Pathfinder Project [32]), характерна значительная изменчивость, на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.